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计算机网络篇22：网络层——公网的三级地址划分与逐跳转发，从私网出口替换到 IP 分片组装

2026-11-08 分类：服务器技术 阅读(5) 评论(0)

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前言： 篇21 把地址怎么切讲完，收在「私网地址要在出口换成公网地址」这一句。这篇把它展开：公网怎么一级一级搭起来，报文在哪一步被换掉地址，跨网络时 MTU 怎么把大报文拆开、对端又怎么拼回去。

一、运营商与路由器的两套 IP

1.1 什么是运营商：建网、要号段、分 IP

  • 运营商就是电信、联通、移动这类公司，国际上叫 ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）。它的活儿有三件：自己建网络、向上级申请公网 IP 号段、给接入的用户分配 IP 地址。
  • 路由器本身就具有构建子网的能力，这是它和普通交换机最本质的差别之一：一个接口接上一段网络，它就能把这段网络组织成一个子网。
  • 路由器又有给所有主机分配 IP 的能力。家里的电脑手机开机就连上网、不用手动配地址，靠的就是这个能力。

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    运营商的定位一句话：对上替你申请公网资源，对下替你组建并管理子网，中间那台路由器就是它的落地点。

    1.2 一台路由器要有两套 IP

  • 以运营商路由器为主来看，一台路由器要配两套 IP：一套 WAN 口 IP 对外，一套子网 IP 也就是 LAN 口 IP 对内。
  • WAN 口朝向上级网络，LAN 口朝向自己组建的子网。一个盒子站在两个网络的交界处，两边各有一个身份。
  • 篇21 讲过这两套地址怎么共存，这里只留结论：对外要求唯一、对内允许重复，靠的就是这个双身份设计。 在这里插入图片描述

    • 两套 IP 不是奢侈配置，是路由器"跨界"这件事的必然结果——它必须同时属于两边。

    1.3 家用路由器：运营商子网里的一个节点

  • 家里的路由器是运营商构建的子网中的一个节点，它自己也有两套 IP：子网 IP 和 WAN 口 IP。
  • 家用路由器的 WAN 口 IP 与运营商路由器的子网 IP 处在同一个子网里，这一点决定了两者能直接对话。
  • 家用路由器同样能给家里的主机分配 IP。手机连上 WiFi 拿到的 192.168.1.x，就是它在发地址。
  • 发数据时的路径是：主机 → 家用路由器 → 运营商路由器 → 公网。运营商路由器就是公网的出入口路由器，报文在它这里完成"出内网"这一步。 在这里插入图片描述

    • 从家到公网不是一跳，而是一串路由器的接力，每一站做的是同一件事：判断下一站是谁。

    二、私网 IP 为什么不能出现在公网

    2.1 重复：全世界都在用 192.168.*

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  • 假设本机是 192.168.1.201，要访问 122.77.241.3，形成的报文里写的是 Src: 192.168.1.201、Dst: 122.77.241.3。
  • 问题出在源地址上。192.168.* 是私有地址段，全世界的家庭、学校、公司内网都在用，同一个地址在成千上万台主机上同时存在。
  • 公网设备收到请求、处理完要回包时，手上只有一个源地址 192.168.1.201，它不知道这个地址该送回哪个国家的哪台机器。

    • 私网地址能成立的前提是"只在局部唯一"，公网要的是"全局唯一"，两套规则在公网上正面撞车。

    2.2 出口替换：报文到路由器就换 WAN 口 IP

  • 为了保证私网 IP 不出现在公网上，报文发送时到达路由器后，源地址被替换成这台路由器的 WAN 口 IP，再往上交付。
  • 上一级路由器同样处理，逐级替换。最后一个路由器的 WAN 口 IP 本身就是公网 IP，所以报文到达公网时，头里已经找不到任何内网地址。
  • 这一整套"在出口把私网地址换成公网地址"的动作，就叫 NAT（Network Address Translation，网络地址转换）。
  • 因为多个内网可以共用一个公网地址，NAT 能缓解 IP 地址不足的问题，篇21 末尾把它归为三条解法之一。
  • 转换表怎么建、同一个公网 IP 底下多台主机怎么区分，属于 NAT 的详细机制，另开一篇讲。这里只需要记住一件事：替换发生在每一层出口。

    • NAT 的动作极简：每过一层出口，内网地址就被换成对外的地址，换到最外层就只剩公网 IP。

    2.3 运营商能控制报文出不出口

  • 报文必须经过运营商的出口路由器才能到公网，出与不出，由出口设备上的转发与过滤策略决定。
  • 不在策略允许范围内的报文，出口设备直接不转发，报文到不了公网，这就是平常直接访问国外网站访问不了的由来。
  • 大家口中的"防火墙"，很多就铺在这些出口节点上。

    • 网络边界不只是通道，还是闸门；闸门开多大，由出口设备上的规则说了算。

    三、公网是逐级搭起来的：国家 8 位、省 8 位、市 4 位

    3.1 公网 IP 从哪来：各国运营商自主申请

  • 公网 IP 由各个国家的运营商自主申请。运营商不仅组建内网，也要组建自己国家的公网环境。
  • 一个地区能有多大的网络，取决于自己手里有多少公网 IP。
  • 分配不看国家面积，而是结合网民数量按地区划分，人多设备多的地方拿到的号段就大。

    • 公网不是抽象概念，它是被一段段号段占满的实体资源，谁的网民多，谁占的段就大。

    3.2 国际路由：用 8 位表示国家

  • 全球有近 200 个主权国家。用一个简化模型来理解国际路由：拿 8 位表示特定国家。
  • 按这个模型举例：俄罗斯 1.0.0.0/8、美国 2.0.0.0/8、英国 3.0.0.0/8、法国 4.0.0.0/8、中国 5.0.0.0/8、意大利 6.0.0.0/8。以下数字全部是假设举例，不是真实分配。
    • 每个国家一个 /8，就是 2 的 24 次方，约 1677 万个地址
    • 掩码 /8 让国际路由器一次按位与就能把其余所有国家排除掉
  • 每个国家的国际路由器 WAN 口也落在这一段里，比如俄罗斯 1.0.0.1/8、美国 2.0.0.1/8。

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    8 位国家号的意义不在编号好看，而在于一次比对就能把候选从"全球"砍到"一国"。

    3.3 国内路由：再取 8 位区分省份

  • 中国拿到 5.0.0.0/8 之后，国内还有陕西、河南、浙江、吉林、河北等省份，需要再分。
  • 为了区分省份，从地址里再拿出 8 位做国内路由：陕西 5.1.0.0/16、河南 5.2.0.0/16，同样是举例。
  • 省级路由器横跨两级：WAN 口接国家公网，比如陕西 5.1.0.1/16；向下还有互联口接省内下一级设备，写作 5.1.128.1/30 这类形式。
    • /30 只留 2 个可用地址，正好够两台设备点对点互联
    • 河南同样有 5.2.0.1/16 与 5.2.128.1/30 两套对外口

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    每多切一级，前缀就长一截：/8 到 /16 用掉 8 位，剩下的位留给下一层去分。

    3.4 省内路由：再取 4 位区分市

  • 省下面还有市，那就再取 4 位来区分，做省内路由。
  • 假如西安分配到 1 号：0001 0000 → 16，那么西安这一段就是 5.1.16.0/20。
  • 西安市路由器的配置是：WAN 口 5.1.16.1/20 对外，LAN 口 10.1.1.1/24 对内。
  • LAN 口落进 10.x，说明市以下是运营商搭建的内网，用的是私有地址段，与篇21 的 RFC 1918 三段正好对上。

    • 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

    到市这一级，公网的层级划分就停住了，再往下交给运营商的私网自治。

    划分全链路

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    3.5 两种看法与全网连通

  • 从上往下看，是把一个大的网络划分为一个个子网；从下往上看，是把一个个子网组建成为一个大的网络。
  • 国际路由器之间可以互相通信，靠路由条目识别对方；向下每一级也是同样的道理。
  • 西安之后就不能再分了，往下由运营商做子网划分，于是整个网络就连通了。
  • 路由器要横跨网络，所以要有两套 IP。国家级的路由器比如俄罗斯，两套 WAN 一套管国际、一套管国内；省市级比如河南、西安，WAN 对公网、LAN 对内网。

    • 所谓公网，就是无数台配着两套 IP 的路由器层层互联拼出来的一张大网。

    3.6 真实世界怎么分配

  • 真实的网络结构复杂得多：全球地址由 ICANN 统一管理，往下按区域分给 APNIC、RIPE NCC 等机构，再由 Tier1 运营商和各国 ISP 逐级申请使用。
  • 课堂按"国家 /8、省 /16、市 /20"的模型是刻意简化，为的是看清逐级划分、逐级转发的思路，不是真实分配规则。

    • 模型给你的是直觉：一层一层切、一层一层转发；真实世界只是层数更多、前缀更碎。

    四、IP 的查找与转发全过程

    4.1 从俄罗斯访问 5.1.16.X：逐级按位与

  • 假设俄罗斯境内一台主机访问 5.1.16.X。
  • 报文到达俄罗斯最上层路由器，与 /8 掩码按位与得到 5.0.0.0，正好对上中国的号段，于是找到下一跳，也就是中国在国际线路上的路由器 IP。
  • 报文到中国后，继续与 /16 掩码按位与定位到陕西，再与 /20 掩码按位与定位到西安，一层层转发下去，直到目标网段。

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    查路不存在全局计算，每一层只做同一件事：按位与、对表、交给下一跳。

    4.2 路由表：转发判断的依据

  • 每个节点内部都维护一张路由表，转发时拿目的 IP 逐行比对：与这一行的掩码按位与，结果等于该行的目的网络，就算命中。
  • 表项由几个参数组成：Destination 目的网络地址、Genmask 子网掩码、Gateway 下一跳地址、Iface 发送接口，以及 Flags 标志。
    • Flags 里的 U 表示这条记录有效，可以临时禁用某条记录
    • Flags 里的 G 表示下一跳是某台路由器的地址；没有 G 说明目的网络与本机接口直接相连，不必经路由器
  • 所有行都不匹配时，按缺省路由条目，从规定接口发往缺省网关。
  • 举例：目的地址 192.168.56.3，逐行与掩码按位与，命中直连的 192.168.56.0/24，直接从对应接口发给目标主机，不经路由器。
  • 再举一例：目的地址 202.10.1.2，与前几行都不匹配，走缺省路由，从 eth0 发往 192.168.10.1，由那台路由器按自己的表决定下一跳。
  • 命中多条时选前缀最长的那条，这就是篇21 讲过的最长前缀匹配，落到这里就是越具体的路由越优先。

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    路由表按网段记账，不按主机记账；它回答的是"这个网段往哪走"，不是"这台机器在哪"。

    4.3 路由表怎么来的

  • 路由表可以由网络管理员手动维护，这叫静态路由。
  • 也可以由算法自动生成，这叫动态路由，常见的有距离向量算法、LS 算法、Dijkstra 算法。
  • 这些算法属于选学内容，本篇不展开；需要记住的是，不管表怎么来，转发时每台路由器只查自己的表。

    • 谁生成表不重要，重要的是没有任何一台设备掌握整条路径，路径是每一跳现场拼出来的。

    五、MTU：报文太大就要分片

    5.1 MTU 1500 与网络层自动分片

  • 数据要遵守各层规定：上层交下来的报文，大小不能超过 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传送单元），以太网一般是 1500 字节。
  • 超过这个上限时，网络层会自动把它切成分片，每片加上自己的 IP 报头再往下传。
  • 到对端后，由对端的网络层把分片组装回完整报文，再交给上层。

    • MTU 是链路层的容量上限，分片是网络层为了遵守这个上限自己做的妥协。 在这里插入图片描述

    5.2 分片的代价：丢一片，整包全丢

  • 任何一个分片丢失，都代表整个报文丢失，缺一片就拼不回原样。
  • 所以分片越多，丢包概率越大：原本一条报文成功一次就够，切成 N 片就要成功 N 次。
  • 要减少分片，就得从源头减少报文长度。

    • 分片不是白给的能力，它拿"整体成功率"换"能塞进链路"，片数越多这笔交易越亏。

    5.3 减少分片的办法：传输层控制长度

  • 网络层只是把上层发来的报文打包向下传，它不知道多长才合适，所以报文长度该由传输层来控制。
  • IP 报头 20 字节、TCP 报头 20 字节：1500 − 20 − 20 = 1460，传输层一次最多发 1460 字节，这个上限就是 MSS（Maximum Segment Size，最大段尺寸）。
  • 所以滑动窗口并不是把所有数据一次性打包发出去，而是拆成一个个段分开发送，篇18 讲的是窗口怎么控制节奏，这里的重点是这个拆段动作本身就是为了减在这里插入图片描述 少分片。

    • MSS 是传输层递给网络层的安全尺寸：按这个尺寸切段，中间每一跳都不需要再动刀。

    六、分片的识别与组装

    6.1 三个字段各管什么

  • 报文的分片和组装，与 IP 报头里的 16 位标识、3 位标志、13 位片偏移三个字段有关。篇20 拆过它们在报头里的位置，这里讲它们怎么用。
  • 16 位标识：不同报文的标识不同；同一个报文的所有分片，标识相同。
  • 3 位标志：第二位 DF 置 1 表示禁止分片，超过 MTU 就直接丢弃；第三位 MF 表示更多分片，分片时最后一片置 0、其余置 1，相当于一个结束标记。
  • 13 位片偏移：本片数据在原完整 IP 数据报数据部分里的起始位置，以 8 字节为单位。

    • 三个字段凑成一套寻亲机制：标识说我们是一家的，MF 说后面还有没有，片偏移说我排第几。

    6.2 怎么判断一个报文被分片了

    在这里插入图片描述

    在IPV4协议报头中 有一个三位标志：

    • 第 0 位（保留 R）
    • 第 1 位 DF
    • 第 2 位 MF
  • MF 是 1：后面还有分片，这个报文一定被分片了。
  • MF 是 0 但片偏移不等于 0：它自己是最后一片，同样说明原报文被切过。
  • 反过来，MF 是 0 且片偏移也是 0，才说明这是一个没被切过的完整报文。
  • 判定为分片后，提取 16 位标识，标识相同的分片归到同一组，属于同一个原始报文。

    • 片偏移：标记当前这片数据，在原始 IP 报文的数据部分里，从哪个位置开始

    MF 和片偏移一组合，“是不是分片”"是不是最后一片"两个问题一次答完。

    6.3 怎么发现分片丢了：三种情况

  • 第一片丢失：找不到片偏移为 0 的那个分片，排头没到，后面到的片不知道该往哪放。
  • 尾片丢失：找不到 MF 为 0 的那个分片，没有结束标记，就永远不知道收齐没有。
  • 中间丢失：把收到的分片按片偏移升序排序，验证"片偏移 + 自身数据长度 = 下一个分片的片偏移"。
    • 升序排好后相邻两片本应首尾相接
    • 逐对验证，等式断掉的位置就是缺口

    • 三种丢失共用一个原理：分片本应首尾相接铺满原始报文，任何一处接不上都是丢失的证据。

    6.4 组装完成，交给上层

  • 分片全部到齐、校验没有缺口后，按片偏移排序拼合，恢复出完整的 IP 数据报，交给上层协议处理。
  • 分片和组装都发生在网络层，对传输层是透明的：传输层只按 MSS 切段，不关心底下有没有再切、又是怎么拼回来的。

    • 分片的完整闭环：发送端超长就切、途中每片独立转发、接收端按标识归组、按偏移排序拼回原样。

    七、全篇总结

    1. 公网是路由器拼出来的
  • 国家 /8、省 /16、市 /20，一级一级切下去，前缀一路变长。
  • 每一级路由器配两套 IP，WAN 对外、LAN 对内。
    • 2. 私网地址在出口被换掉
  • 私网地址只在局部唯一，重复的源地址回不了家。
  • 报文每过一层出口就换成 WAN 口地址，到最外层只剩公网 IP，这套动作叫 NAT。
    • 3. 转发就是逐级按位与
  • 目的地址与掩码按位与，对上哪一行的目的网络就往哪走。
  • 全不匹配走缺省路由，命中多条选最长前缀。
    • 4. 超过 MTU 才分片，丢一片全丢
  • 以太网 MTU 1500，超了就在网络层切。
  • 分片越多，整包成功的概率越低。
    • 5. MSS 从源头减少分片
  • MSS = MTU − IP 报头 − TCP 报头 = 1460。
  • 滑动窗口按段发送，本质是让中间每一跳都不必分片。
    • 6. 三个字段撑起识别与组装
  • 标识归组、MF 判首尾、片偏移排序校验缺口。
  • 缺首片、缺尾片、缺中间片，三种情况各有判据。

    • 八、文末面试题

    8.1 推导题

    1. 链路 MTU 1500 字节，IP 报头 20 字节、TCP 报头 20 字节，MSS 是多少？一次要发 5000 字节数据，至少切成几段？

    答（推导）：MSS = 1500 − 20 − 20 = 1460 字节。5000 字节按每段 1460 装，5000 ÷ 1460 得 3 余 620，所以要 4 段，前三段各 1460、最后一段 620。这里要注意区分：这是传输层按 MSS 切段，不是网络层分片，两者目的相同但层次不同。

    2. 给一个 IP 报文的 MF 与片偏移取值，怎么判断它是完整报文、中间片还是最后一片？

    答（推导）：先看 MF 再看片偏移。MF 为 0 且片偏移为 0，是完整未分片的报文；MF 为 1，是还有后续的中间片，其中片偏移为 0 的那个就是第一片；MF 为 0 但片偏移不为 0，是最后一片。判断要点在于最后一片必须靠 MF 归零来标识，不能只看偏移。

    3. 收到的分片片偏移依次是 0、185、370，各片数据长度都是 1480 字节，判断是否收齐。

    答（推导）：按"片偏移 + 自身数据长度 = 下一片片偏移"逐个验。第一片偏移 0 表示起点 0，加 1480 得 1480，除以 8 是 185，与第二片偏移吻合；第二片起点 1480，加 1480 得 2960，除以 8 是 370，与第三片吻合。三片首尾相接没有缺口，但还要看最后一片的 MF 是否为 0，只有尾片标识归零才能判定收齐。

    8.2 真题

    1. 一个 5960 字节的数据报（20 字节 IP 首部加 5940 字节数据），经过 MTU 为 1500 的链路，怎么分片？

    答（转述）：每片数据最多 1500 − 20 = 1480 字节，5940 ÷ 1480 约等于 4.01，向上取整得 5 片。前四片各带 1480 字节数据、总长 1500，第五片带 5940 − 4×1480 = 20 字节数据、总长 40。片偏移依次为 0、185、370、555、740，前四片 MF 为 1、最后一片 MF 为 0，DF 全为 0。

    【真题·转述自 牛客：一个 5960 字节的数据报（其中 20 字节 IP 首部加上 5940 字节数据）】

    2. 路由表里有 169.96.40.0/23 下一跳 176.1.1.1 走 S1、169.96.40.0/25 走 S2、169.96.40.0/27 走 S3、0.0.0.0/0 走 S4，目的地址 169.96.40.5 从哪个接口转发？

    答（转述）：前三条具体路由都能匹配上，按最长前缀匹配选前缀最长的 /27 那条，从 S3 转发给下一跳 176.3.3.3。判断方法是把目的地址与每条记录的掩码按位与，结果等于该条目的网络号就算命中，命中多条时前缀越长越优先。

    【真题·转述自 牛客：若路由器收到一个目的地址为 169.96.40.5 的 IP 分组】

    3. 路由表里 128.96.39.0/25 走 m0、128.96.39.128/25 走 m1、128.96.40.0/25 走 R2、192.4.153.0/26 走 R3，另有默认路由 R4，目的地址 128.96.40.151 走哪一条？

    答（转述）：目的地址 128.96.40.151 与 /25 掩码相与，末字节 151 与 128 相与得 128，结果是 128.96.40.128，与三条 /25 路由的目的网络 128.96.39.0、128.96.39.128、128.96.40.0 都对不上；再与 /26 掩码相与，末字节 153 与 192 相与得 128，结果是 192.4.153.128，也不匹配 192.4.153.0。既然没有命中项，就走默认路由 R4。

    【真题·转述自 牛客：计算机网络网络层部分习题解答】

    4. MTU 和 MSS 是什么关系，MSS 一般是多少？

    答（转述）：MTU 是链路层一次能承载的最大数据长度，MSS 是 TCP 一次向下交付的最大数据量。以太网 MTU 通常 1500 字节，TCP 与 IP 报头常规各 20 字节，所以 MSS = 1500 − 20 − 20 = 1460 字节。MSS 的作用就是让网络层尽量不需要分片，因为分片会增加丢包概率与额外开销。

    【真题·转述自 牛客：后端高频面试方向 IP 协议】

    5. TCP 握手时已经协商了 MSS，为什么实际传输中还会发生 IP 分片？

    答（转述）：MSS 只约束发送端与接收端协商出的这一档值，管不住中间路径。路径上不同链路的 MTU 可能更小，报文在中间路由器上仍可能被切开；应用层一次交付的数据过大，TCP 切段后配上报头依然超出路径 MTU 时也会触发。要进一步避免，得依靠路径 MTU 发现这类机制。

    【真题·转述自 牛客：汇川嵌入式软件开发一面面经】

    6. 分片到达接收方后，怎么判断有没有丢片？

    答（转述）：三件事一起看。有没有片偏移为 0 的首片，有没有 MF 为 0 的尾片，按片偏移升序排好后相邻两片是否首尾相接。三样都满足才算收齐，缺任何一样都拼不回原报文，整包只能丢弃。

    【真题·转述自 牛客：计算机网络面试之网络层 IP 工作原理】

    💬 结语： 公网不是一张平铺的网，它是一层一层切出来、一跳一跳走出来的；报文太大时，网络层还会替你把它拆开，再在对端拼回去。评论区聊聊，你第一次算片偏移时，有没有忘记那个除以 8。

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